KR100840854B1 - 주석 산화물 생성 방법 및 이에 따른 주석 산화물 분말 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주석 산화물 생성 방법 및 이에 따른 주석 산화물 분말에 대한 것으로, 먼저 제1주석이온(Sn^{2 +})이 용해된 반응 용액에 과산화수소(H₂O₂)를 첨가하여 상기 제1주석이온을 제2주석이온(Sn^{4 +}) 형태로 산화시킨 다음, 이렇게 산화된 제2주석이온을 포함하는 반응 용액을 분무기를 통하여 800℃ 이상의 열반응기에 액적으로 분무함으로써, 평균입자크기가 10~50nm인 주석 산화물(SnO₂)을 분무열분해 과정을 통해 바로 용이하게 생성하는 것을 특징으로 한다.

주석 금속, 주석 이온, 주석 산화물, 분무열분해

Description

주석 산화물 생성 방법 및 이에 따른 주석 산화물 분말{Process For Forming Tin Oxide and Tin Oxide Powder Using The Same}

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 주석 산화물 생성 방법을 나타내는 흐름도이고,

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 주석 산화물 생성 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명은 주석 산화물 생성 방법 및 이에 따른 주석 산화물 분말에 대한 것으로, 특히 분무열분해(spray pyrolysis) 반응을 이용하여 평균입자크기가 10~50nm인 주석 산화물(SnO₂)을 생성하는 것이다. 더욱 상세하게는, 과산화수소(H₂O₂)로 제1주석이온(Sn^{2 +})을 제2주석이온(Sn^{4 +}) 형태로 산화시킨 다음 분무열분해 과정을 거침으로써 주석 산화물(SnO₂)을 용이하게 형성하는 것이 특징이다.

일반적으로 금속 산화물을 얻기 위한 제조방법으로는 첫째, 철강 제조공장에서 열연강판의 산세 공정 중 부산물로 생성되는 폐산을 이용한 산화철(Fe₂O₃) 분말 제조방법과 둘째, 열연강판의 산세과정에서 발생되는 폐산 내에 망간 폐라이트(Mn-ferrite) 조성에 해당되는 망간 성분을 첨가한 복합 산용액을 원료로 하여 망간 페라이트 분말 제조방법 및 셋째, PCB 제조공정 중 발생되는 폐동액을 원료로 하여 산화동 분말 제조 방법이 있었다.

그러나, 이러한 종래의 방법은 수열합성법 및 졸-겔 합성법 등에 의존한 실험실적 규모의 소량 제조에 불과하다는 단점이 있었고, 특히, 입도가 마이크론 단위 이상인 고체 주석 금속으로부터 평균 입도가 50nm 이하인 산화물 분말을 연속적으로 제조할 수 없다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명에서는 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 과산화수소(H₂O₂)로 제1주석이온(Sn^{2 +})을 제2주석이온(Sn^{4 +}) 형태로 산화시킨 다음 분무열분해 과정을 거침으로써, 주석 산화물(SnO₂)을 용이하게 형성시킬 수 있는 주석 산화물 생성방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 이러한 본 발명을 통하여 분무열분해 공정으로 제1주석이온 형태를 가지고 평균입도가 마이크론 단위 이상인 고체 주석 금속으로부터 평균입도가 50nm 이하인 제2주석 산화물 분말을 매우 경제적으로 제조하고자 하는 것이다. 또한, 이러한 제조 과정을 연속해서 반복적으로 수행함으로써 주석 산화물을 대량으로 생산하여, 품질의 균일성을 확보하고 수입 비용을 대체하며 제조 비용을 절감시키고자 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주석 산화물 생성방법은, 염산용액에 주석 금속을 첨가 하고, 첨가한 주석 금속을 용해시키는 단계; 상기 주석 금속이 용해된 용액에 H₂O₂ 용액을 첨가하여 용액 중에 존재하는 Sn²⁺ 형태의 이온들을 Sn⁴⁺ 형태로 산화시키는 단계; 상기 Sn²⁺ 형태의 이온들을 Sn⁴⁺ 형태로 산화시킨 용액을 80℃ 내지 90℃에서 가열하여 용액 내의 과잉 H₂O₂ 성분을 증발시킨 후, 여과시켜서 주석 염화물 원료용액을 준비하는 단계; 상기 주석 염화물 원료용액을 800℃이상의 고온으로 유지된 열분해 반응로에 분무시키고, 분무열분해 반응에 의해 생성되는 평균입도 50nm 이하의 주석 산화물 분말을 포집하는 단계; 및 상기 주석 산화물 분말을 수세하고, 수세된 분말을 고속 원심분리에 의해 고상과 액상으로 분리하며, 상기 분리하여 얻은 고상의 주석 산화물 분말을 건조시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 또 다른 실시형태는, 상기한 주석 산화물 생성 방법에 의해 형성되어 평균입자크기가 10~50nm인 것을 특징으로 하는 주석 산화물 분말이다.

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이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 기술적 특징을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 금속 주석이 포함된 반응 용액을 원료로 주석 산화물을 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.

여기에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 주석 산화물 생성방법은, 먼저 제1주석이온(Sn^{2 +})이 용해된 반응 용액에 과산화수소(H₂O₂)를 첨가하여 상기 제1주석이온을 제2주석이온(Sn^{4 +}) 형태로 산화시키는 단계(S110)를 거친다.

본 발명에 있어서, 제1주석이온이라 함은 2가의 양이온 형태를 가진 주석 이온을 말하는 것이고, 제2주석이온이라 함은 4가의 양이온 형태를 가진 주석 이온을 말하는 것이며, 이러한 주석 이온이 포함되는 형태는 특별히 제한되지 않는다.

본 발명은 후술하는 분무열분해 반응을 통하여 주석 산화물, 특히 4가의 양이온 형태를 가진 제2주석이온의 산화물을 형성하기 위한 것으로, 이를 위하여 제1주석이온을 제2주석이온 형태로 산화시키는 단계를 거치는 것이 특징이다.

종래에 일반적인 제1주석이온을 포함하는 반응 용액으로 분무열분해 반응을 거치는 경우 주석 산화물, 특히 제2주석이온의 산화물을 얻는 것이 쉽지 않았지만, 본 발명과 같이 제1주석 이온을 제2주석이온으로 산화시키는 과정을 먼저 거침으로써, 반응 용액에 있는 수분으로 하여금 분무열분해 과정에서 바로 그리고 용이하게 주석 산화물을 만들어 낼 수 있는 것이다.

다음으로, 상기와 같은 단계(S110)를 거쳐 산화된 제2주석이온을 포함하는 반응 용액을 분무열분해 과정을 거치게 함으로써, 상기 제2주석이온과 상기 반응 용액에 있는 산소이온의 결합에 의해 평균입자크기가 10~50nm인 주석 산화물을 발생시키는 것이다(S120).

상기 분무열분해 과정은 제2주석이온을 포함하는 반응 용액을 분무기를 통하여 800℃ 이상의 열반응기에 액적으로 분무하는 것으로, 특히 반응 용액을 티타늄으로 제조된 노즐(nozzle)을 통해 800℃ 내지 1000℃의 고온으로 유지된 열분해 반응로에 분무시키는 것이다.

그러면, 상기 노즐에 의해 미립화된 반응 용액은 액적 행태로 분무되며, 이러한 액적들은 열반응기에서 일어나는 열분해과정을 통하여 주석 산화물로의 반응이 진행된다. 이러한 열분해과정에서는 액적 표면과 중심부분에서 생겨나는 용매 증발속도 차이로 인하여 액적이 분열되고, 예를 들어 하기의 반응식 1에 따라 주석 산화물이 생겨나게 되는 것이다. 여기서, 반응온도가 높을수록 증발속도의 차이는 더욱 커지게 된다.

[반응식 1]

SnCl_{4 (v)} + 2 H₂O_(v) = SnO_{2 (s)} + 4 HCl_(v)

상기 반응식 1은 반응 용액으로 물에 염화수소(HCl)를 녹여 만든 염산 용액을 사용한 경우의 예이고, 이 경우 상기 제2주석이온과 상기 반응 용액에 있는 산소이온의 결합은 4염화주석(SnCl₄)과 상기 반응 용액에 있는 수분(2H₂O)이 반응하여 이루어지는 것이 특징이다.

상기한 열분해 과정을 통하여 평균입도 50nm이하의 주석 산화물 분말을 연속적으로 제조할 수 있고, 이러한 주석 산화물 분말은 분체 포집기에서 연속적으로 포집될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 주석 산화물 분말을 제조하는 방법에 있어서, 보다 상세하게는 평균입도 50nm 이하의 나노분말을 분무열분해 방법으로 연속적으로 제조하기 위하여, 평균입도가 마이크론 단위 이상인 입자들로 구성된 주석 금속을 염산에 용해시킨 주석 염화물 용액에 H₂O₂ 용액을 첨가하여 Sn^{2 +} 형태의 이온들을 Sn⁴⁺ 이온 형태로 산화시킨 원료 반응 용액을 준비하고, 이것을 원료로 원료용액의 미립화 장치, 4단 반응로, 분체 포집장치 및 유해기체의 청정을 위한 세척기(scrubber)까지 포함하는 분무열분해 장치 내에서 열분해 반응을 거침으로써, 평균입도 50nm 이하의 주석 산화물 분말을 연속적으로 제조할 수 있는 것이다.

이하에서는 본 발명의 이점과 특징 그리고 그것들을 달성하는 방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세하게 후술하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하는 것이고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

실시예 1: 주석 산화물의 생성

본 발명에 따른 주석 산화물을 생성하기 위하여, 본 발명자들은 먼저 염산용액에 평균입도가 마이크론 단위 이상인 주석 금속을 첨가하였고, 첨가한 주석 금속을 80℃ 내지 90℃ 에서 완전히 용해시키었다.

그리고, 상기 용해시킨 용액에 H₂O₂ 용액을 첨가하여 용액 중에 존재하는 Sn^{2 +} 형태의 이온들을 Sn^{4 +} 형태로 산화시키었으며, 이렇게 산화된 용액을 80 내지 90℃에서 가열하여 과잉 H₂O₂ 성분을 증발시킨 후 여과기를 이용하여 3회 여과시켜 주석 염화물 원료용액을 준비하였다. 여기서, 용액을 3회 여과시키는 것은 철(Fe), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 규소(Si) 및 인(P)등의 불순물들이 50ppm 이하가 되도록 조 절하기 위한 것이었다.

이어서, 상기 준비된 원료 용액을 티타늄으로 제조된 노즐(nozzle)을 이용하여 800℃이상의 고온으로 유지된 4단의 열분해 반응로에 분무시키었고, 이렇게 액적 형태로 분무된 용액의 열분해반응에 의해 생성되는 평균 입도 50nm 이하의 주석 산화물 분말을 분체 포집기에서 포집하였다.

이후에는 상기와 같이 포집된 주석 산화물 분말의 분체 표면에 염산 증기 등이 응축되어 있을 수 있으므로, 상온 증류수에서 4시간 이상 저어주면서 3회 수세하였고, 수세된 분말을 50,000 rpm 이상의 고속 원심분리에 의해 고상과 액상을 분리시키었으며, 이렇게 분리된 주석 산화물 분말을 90℃ 이상에서 24시간 이상 건조시킴으로써, 원하는 주석 산화물 분말을 얻을 수 있었다.

도 2는 이러한 실시예에 따라 주석 염화물 용액을 원료로 하여 분무열분해 공정을 통하여 주석 산화물 분말을 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다.

이에 따르면, 본 발명의 다른 실시형태는, 염산용액에 평균입도가 마이크론 단위 이상인 주석 금속을 첨가 하는 제1단계(S210)와 상기 제1단계에서 첨가한 주석 금속을 80 내지 90℃ 에서 완전히 용해시키는 제2단계(S220)와 상기 제2단계에서 제조한 용액에 H₂O₂ 용액을 첨가하여 용액 중에 존재하는 Sn^{2 +} 형태의 이온들을 Sn⁴⁺ 형태로 산화시키는 제3단계(S230)와 제3단계에서 제조된 용액을 80 내지 90℃ 에서 가열하여 용액 내의 과잉 H₂O₂ 성분을 증발시킨 후 여과기를 이용하여 3회 여과시켜 주석 염화물 원료용액을 제조하는 제4단계(S240)와 상기 제4단계에서 여과시킨 주석 염화물 용액을 티타늄으로 제조된 노즐(nozzle)을 이용하여 800℃이상의 고온으로 유지된 열분해 반응로에 분무시키는 제5단계(S250)와 상기 제5단계에서 분무열분해 반응에 의해 생성되는 평균입도 50nm 이하의 주석 산화물 분말을 분체 포집기에서 포집하는 제6단계(S260)와 상기 제6단계에서 포집된 주석 산화물 분말을 상온의 증류수에서 4시간 이상 저어주면서 3회 수세하는 제7단계(S270)와 상기 제7단계에서 수세된 분말을 50,000 rpm 이상의 고속 원심분리에 의해 고상( 분체)과 액상을 분리시키는 제8단계(S280)와 상기 제8단계에서 분리된 주석 산화물 분말을 90℃ 이상에서 24시간 이상 건조시키는 제9단계(S290)를 포함하여 이루어지는 주석 산화물 생산 방법일 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

상술한 본 발명에 따르면, 과산화수소(H₂O₂)로 제1주석이온(Sn^{2 +})을 제2주석이온(Sn^{4 +}) 형태로 산화시킨 다음 분무열분해 과정을 거침으로써, 주석 산화물(SnO₂) 용이하게 형성시킬 수 있는 주석 산화물 생성방법을 제공할 수 있다.

이러한 본 발명에 의하는 경우, 분무열분해 공정을 통하여 제1주석이온 형태를 가지고 평균입도가 마이크론 단위 이상인 고체 주석 금속으로부터 평균입도가 50nm 이하인 제2주석 산화물 분말을 매우 경제적으로 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 제조 과정을 연속해서 반복적으로 수행함으로써 주석 산화물을 대량으로 생산할 수 있으며, 이에 따른 품질의 균일성과 수입 대체 효과 및 제조 비용 면에서의 절감 효과를 제공할 수 있다.

Claims (3)

1. 염산용액에 주석 금속을 첨가 하고, 첨가한 주석 금속을 용해시키는 단계;

   상기 주석 금속이 용해된 용액에 H₂O₂ 용액을 첨가하여 용액 중에 존재하는 Sn²⁺ 형태의 이온들을 Sn⁴⁺ 형태로 산화시키는 단계;

   상기 Sn²⁺ 형태의 이온들을 Sn⁴⁺ 형태로 산화시킨 용액을 80 내지 90℃에서 가열하여 용액 내의 과잉 H₂O₂ 성분을 증발시킨 후, 여과시켜서 주석 염화물 원료용액을 준비하는 단계;

   상기 주석 염화물 원료용액을 800℃이상의 고온으로 유지된 열분해 반응로에 분무시키고, 분무열분해 반응에 의해 생성되는 평균입도 50nm 이하의 주석 산화물 분말을 포집하는 단계; 및

   상기 주석 산화물 분말을 수세하고, 수세된 분말을 고속 원심분리에 의해 고상과 액상으로 분리하며, 상기 분리하여 얻은 고상의 주석 산화물 분말을 건조시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 주석 산화물 생산 방법.
2. 염산용액에 평균입도가 마이크론 단위 이상인 주석 금속을 첨가 하는 제1단계(S210)와, 상기 제1단계에서 첨가한 주석 금속을 80 내지 90℃ 에서 완전히 용해시키는 제2단계(S220)와, 상기 제2단계에서 제조한 용액에 H₂O₂ 용액을 첨가하여 용액 중에 존재하는 Sn²⁺ 형태의 이온들을 Sn⁴⁺ 형태로 산화시키는 제3단계(S230)와, 제3단계에서 제조된 용액을 80℃ 내지 90℃에서 가열하여 용액 내의 과잉 H₂O₂ 성분을 증발시킨 후 여과기를 이용하여 3회 여과시켜 주석 염화물 원료용액을 제조하는 제4단계(S240)와, 상기 제4단계에서 여과시킨 주석 염화물 용액을 티타늄으로 제조된 노즐(nozzle)을 이용하여 800℃이상의 고온으로 유지된 열분해 반응로에 분무시키는 제5단계(S250)와, 상기 제5단계에서 분무열분해 반응에 의해 생성되는 평균입도 50nm 이하의 주석 산화물 분말을 분체 포집기에서 포집하는 제6단계(S260)와, 상기 제6단계에서 포집된 주석 산화물 분말을 상온의 증류수에서 4시간 이상 저어주면서 3회 수세하는 제7단계(S270)와, 상기 제7단계에서 수세된 분말을 50,000 rpm 이상의 고속 원심분리에 의해 고상( 분체)과 액상을 분리시키는 제8단계(S280)와, 상기 제8단계에서 분리된 주석 산화물 분말을 90℃ 이상에서 24시간 이상 건조시키는 제9단계(S290)를 포함하여 이루어지는 주석 산화물 생산 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 따른 주석 산화물 생성 방법에 의해 형성되어, 평균입자 크기가 10~50nm인 것을 특징으로 하는 주석 산화물 분말.

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